数据中心免费供冷的现状综述外文翻译资料

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数据中心免费供冷的现状综述

Hafiz M. Daraghmeh, Chi-Chuan Wang

国立交通大学机械工程系，新竹300，台湾

摘要：本文对数据中心免费供冷技术的现状进行了综述，包括空气侧经济器、水侧经济器和热管技术。通过引入免费供冷技术，可以部分或完全地减轻制冷系统压缩机的负荷。空气侧或水侧免费供冷的利用严重依赖于环境条件，而空气侧或水侧免费供冷可与吸附、太阳能、吸附、地热、蒸发制冷等系统相结合，以提高其性能。另一方面，热虹吸换热器和脉动热管具有独特的小温差传热特性，在数据中心免费供冷方面具有广阔的应用前景。

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关键词:数据中心 免费供冷 空气经济器 水经济器 热管

0 文章信息

文章历史：

2016年3月14日收到

2016年10月12日修订

2016年10月14日接受

2016年10月20日在线提供

1 简介

近年来，数据中心消耗的电力急剧增加，预计现在和未来将对信息技术（IT）产生重大影响[1]。与典型建筑等相关基础设施相比，数据中心的能源需求激增100多倍[2]。数据中心通常包括建筑物，房间和设施，其中包含企业服务器，服务器通信设备，供冷设备和电力设备，到2011年平均能耗为872 kWh/m² [3]。另一方面，从2006年到2011年，数据中心服务器和相关基础设施所消耗的能源在美国和全球范围内翻了一倍[4]。 2006年，美国环境保护署（UPA）预测，所有美国数据中心的成本为45亿美元，而到2011年则为74亿美元[5]。此外，数据中心的平均功率密度目前约为每机架6kW。根据数据中心的发展趋势，随着数据中心基础设施的快速发展，伴随着更高功率密度的服务器组件的发展，到2025年，数据中心的平均功率密度预计将达到每机架50kW[6,7]。

同时，数据中心基础设施的传统供冷系统的能耗通常占总能耗的50％左右，在某些情况下可能更为严重[8-10]。当前数据中心总能耗的典型分解如图1所示[1]。在这方面，实施有助于降低传统供冷系统能源成本的有效供冷系统，策略和方法对于数据中心来说是必不可少的。传统的供冷系统依赖于蒸汽压缩循环，由于某些后续原因，传统的供冷系统可能消耗大量的电能。首先，这个循环需要一年四季都有效，甚至在冬季环境温度较低时也是如此。其次，由于缺乏气流控制装置而发生冷热空气流的混合。第三，数据中心供冷系统，特别是水侧供冷系统，需要机械管道系统，通过泵和风机消耗大量能量来输送冷水或空气，无论输送距离多远，都会造成明显的损失[11]。通过消除/减少长途运输，可以提高数据中心供冷系统的效率。一些以前的研究已经找到了解决这些问题的各种解决方案，例如使用机架后门冷却器[12]、吊顶冷却器[13]、逆变风机[14]、多孔砖结构优化[15-18]、供、回方式[19-21]、以

及一些特定的机架布置[22,23]。这些方法已被用于缓解对上述第二和第三个问题的关注。为了解决首先提到的问题，常见的广泛使用的能效策略是所谓的免费供冷技术，其被称为经济器循环。通过采用这一概念，可以减少或潜在地消除计算机房空调（CRAC）装置或供冷装置的使用，从而大大节省总制冷能耗需求[24,25]。经济器循环利用周围气候，特别是在温和和寒冷气候区域，以减轻数据中心设施内CRAC /冷水机组的需求。

命名法

AHU 空气处理单元 NSIDC 国家冰雪数据中心

ASHRAE 美国供热、制冷和空调工程师协会 PHP 脉动热管

CES 冷能储存 PUE 用电效率

COP 性能系数 RH 相对湿度

CRAC 机房空调 TS 热虹吸管换热器

CRAH 机房空气处理机 US 美国

DX 直接膨胀 UK 英国

HE 热交换器 UPA 环境保护署

IBM 国际商业机器公司 TES 热能储存

ISMT 机械制冷和热电联产系统 UPS 不间断电源供应

IT 信息技术 VFD 变频驱动

图1.数据中心能耗的典型能耗分解[1]

这是因为绝大多数地区的室外温度通常低于数据中心内的温度。然而，当外部温度高时，必须采用制冷循环，并且环境干球温度和相对湿度可能对制冷系统起重要作用。因此，在某些有利的条件和仔细的操作下，可以绕过压缩机，这可以节省相当多的能量。许多研究已经研究了在数据中心基础设施中使用免费供冷经济器的潜力[3,4,8-10]。目前在数据中心中使用的经济器可分为三类，即最近引入数据中心的空气侧经济器，水侧经济器和热管供冷系统。空气侧免费供冷通过直接将冷空气送入数据中心或通过某些热交换设备间接供冷数据中心。因此，需要一些过滤器或热交换器（例如翅片管式热交换器，旋转轮，空气-空气热交换器等）。水侧免费供冷采用冷却塔，水泵和相关基础设施，使较冷的水循环进入机房空调。

但是，有三个显著因素会影响经济器的利用率。第一个因素是地理位置；空气侧经济器可以在温和和寒冷的气候区域轻松实施，而在炎热和/或潮湿的地区以及气候变化迅速的地区很难应用。第二个因素是允许的工作范围。在2008年之前，根据ASHRAE法规，环境温度和湿度的范围相对较窄，这限制了空气侧经济器的体现。然而，2011年ASHRAE放宽了干球温度，湿度范围和最大露点等操作条件[26]。因此，它显著提高了空侧经济器在全年的运营时间内的使用，从而节省了大量的能源和效率。表1和图2描述了相关的ASHRAE环境等级法规[27]。为了实现经济器的更高可靠性，数据中心运营商必须选择合适的类别，以最经济的方式运行。影响经济器的第三个因素是数据中心的安排。最重要的是如何避免冷热气流的混合，这可以通过从热空气供应中有效分离冷空气来实现。两种常用的冷通道和热通道容器如图3所示[28]。在过去，经济器被用作运营的补充，可以在一年中的某些时间获得更好的经济和效率。如今，经济器的使用正在成为减轻机械制冷系统负载的主要操作模式，因为它可以减少甚至消除压缩机的运行时间，从而产生高效的数据中心供冷系统。本文的目的是概述最近使用的数据中心经济器，模式和选项，并制定选择适当的经济器以匹配数据中心基础设施的不同情况和条件的指南。

表一 2011年ASHRAE数据中心应用环境类[27]

图2.数据中心经济器的ASHRAE环境等级[26]

图3.数据中心常用的冷通道和热通道容器[28]

表4列出了最新使用的经济器的详细列表和比较，随后将对相关研究的进一步讨论进行讨论。

2 空气侧经济器

空气侧经济可以通过将较冷的外部空气泵入数据中心来获得。在寒冷或温和的气候条件下，使用室外空气供冷可以产生极高的效率，而在炎热，潮湿和快速变化的天气区域则不能使用。典型的空气侧免费供冷可采用直接空气侧供冷，间接空气侧供冷或蒸发供冷（直接，间接或多级）的形式。

2.1 直接空气侧免费供冷

直接空气侧供冷是最简单的经济方法，也是数据中心运营商首先考虑的方法。这是改善数据中心供冷系统的有效方法，可以利用更冷的外部空气。典型的直接空气侧经济器由空气管道和一组风机，百叶窗，过滤器，通风口和阻尼器组成。这些部件可以有效地使用外部空气来完全或部分地替代制冷供冷。直接空气经济器的例子如图4（a）所示[10]。当外部较冷的空气直接进入数据中心时，可以消除数据中心设施内部产生的热量。该策略已被数据中心运营商广泛采用；事实上，在所有免费供冷经济器的部署中，多达40％采用这种形式[8]。许多研究人员讨论了在数据中心使用免费供冷经济器的潜力[29,30]。例如，Lee和Chen [29]在数值上研究了在17个气候区使用直接空气侧免费供冷经济器的潜在经济。他们的研究结果显示，在混合潮湿，温暖和温暖的海洋气候区使用的经济器可以节约显著的能源，而在干燥和潮湿的气候区域，由于需要高负载风机，加湿器和除湿机，经济器的效率相对较低。这些设备的使用可以抵消免费供冷的好处。结果还表明，使用控制良好的数据中心至关重要，因为室内温度下降2°C会使经济减少2.8-8.5％。 Siriwardana等。[30]研究了直接空气经济器在不同气候条件下的不同澳大利亚州的使用情况。在一些州，结果显示节约大量的能源。 2008年，英特尔公司采用了相同的战略，推出了一个10兆瓦（MW）的数据中心，据报道，每年可节省大约287万美元的能源[31]。为了在低湿度区域和干热区域使用外部空气，已经使用直接蒸发供冷来冷却数据中心设施。蒸发冷却器由大风机组成，通过水分填料吸入热空气。

(a)通用数据中心直接空气侧供冷[10]

(b)直接蒸发供冷[33]

图4.数据中心使用的直接空气侧免费供冷的一些方案

表2 一些欧洲国家直接空侧免费供冷的年度总利用量[3]

随着水分填料中的水蒸发，空气在进入数据中心之前被冷却[32]。可以通过调节冷却器的气流来控制温度，该示例的示意图如图4（b）[33]所示。然而，直接空气侧免费供冷方法存在一些待解决的问题，如气候变化，空气质量，高湿度和维护问题。

Udagawa等[34]在日本进行了一项研究，将基于免费供冷的系统与封装式空调系统进行比较。他们的模拟考虑了四个地点的不同气候条件。他们声称高效控制是可以获得的，只有当室外温度很低时，性能系数（COP）才会增加。 Oroacute;等[3]研究了直接空气供冷与热能储存策略（TES）相结合的潜在用途。该研究是在五个不同的欧洲城市进行的，这些城市受到不同气候条件的影响，并与ASHRAE建议的年度总小时数相关联。如表2所示，该模拟表明，斯德哥尔摩和阿姆斯特丹显示，最大限度利用室外空气供冷，年运行超过6500小时。直接自然空气供冷的空气质量是应该考虑的另一个问题，将大量外部空气吸入数据中心可能会带来大量污染物。这可能会增加数据中心设施退化的风险，而这一挑战带来了对预处理和过滤的

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